工業(yè)機器人基礎及應用 課件 ch01 認知機器人本體

認知機器人本體第一章工業(yè)機器人基礎及應用高等院校公共課系列精品教材工業(yè)機器人的結構通常由四大部分組成，即機械機構、驅動系統(tǒng)、感知系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。認知機器人本體1）機械機構機械機構是由關節(jié)連在一起的許多機械連桿的集合體而形成的開環(huán)運動學鏈系。2）驅動系統(tǒng)使各種機械部件產生運動的裝置為驅動系統(tǒng)。驅動源可以是氣動的、液壓的或電動的。4）控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)通過獲取的信息確定機械部件各部分的正確運行軌跡、速度、位置和外部環(huán)境，使機械部件的各部分按預定程序在規(guī)定的時間開始和結束動作。3）感知系統(tǒng)感知系統(tǒng)是由一個或多個傳感器組成。傳感器是將有關機械部件的內部信息和外部信息傳遞給機器人的控制器。認知機器人本體01PARTONE機器人的機械機構1.1機器人的機械機構由于應用場合的不同，機器人的結構形式多種多樣，各組成部分的驅動方式、傳動原理和機械結構也各有不同。通常根據(jù)機器人各部分的功能，其機械部分主要由以下幾部分組成，如下圖所示。01手部機器人為了進行作業(yè)，在手腕上配置了操作機構，也稱為手爪或未端操作器、末端執(zhí)行機構等。03臂部連接機身和手腕的部分，主要作用是改變手部的空間位置，滿足機器人的作業(yè)空間，并將各種載荷傳遞到機身。02手腕連接手部和臂部的部分，主要作用是改變手部的空間方向和將作業(yè)載荷傳遞到手部。1.1機器人的機械機構04機身機身是機器人的基礎部分，起支撐作用。對于固定式機器人，機身直接連接到地面基礎上:對于移動式機器人，機身則安裝在移動機構上。02PARTONE機器人的驅動系統(tǒng)01液壓容易達到較高的單位面壓力(常用油壓為25~63kg/cm2)液驅動裝置體積較小，可以獲得較大的推力或轉矩。02液壓驅動系統(tǒng)介質的可壓縮性小，工作平穩(wěn)可靠，并可得到較高的位置精度。03液壓傳動中，力、速度和方向比較容易實現(xiàn)自動控制。04液壓驅動系統(tǒng)采用油液作介質，具有防銹性和自潤滑性能，可以提高機械效率,使用壽命長。1.2機器人的驅動系統(tǒng)液壓驅動1機器人的驅動系統(tǒng)采用液壓驅動，有以下優(yōu)點:1.2機器人的驅動系統(tǒng)液壓驅動1液壓驅動系統(tǒng)有以下缺點:010302油液的黏度隨溫度變化而變化，影響工作性能，高溫容易引起燃燒、爆炸等危險。液體的泄漏難以克服，要求液壓元件有較高的精度和質量，故造價較高。需要相應的供油系統(tǒng)，尤其是電液伺服系統(tǒng)要求有嚴格的濾油裝置，否則會引起故障。04液壓驅動方式的輸出力和功率大，能構成何服機構，常用于大型機器人關節(jié)的驅動。01壓縮空氣黏度小，容易達到高速(1m/s)。02利用工廠集中的空氣壓機站供氣，不必添加動力設備。03空氣介質對環(huán)境無污染，使用安全，可直接應用于高溫作業(yè)。04氣動元件工作壓力小，故制造要求也比液壓元件低。1.2機器人的驅動系統(tǒng)氣壓驅動2與液壓驅動相比，氣壓驅動有以下優(yōu)點:1.2機器人的驅動系統(tǒng)氣壓驅動2氣壓驅動有以下缺點:010302壓縮空氣常用壓力為4~6kg/cm2，若要獲得較大的出力，其結構就要相對增大?？諝鈮嚎s性大，工作平穩(wěn)性差，速度控制困難，要達到準確的位置控制很困難。壓縮空氣的除水問題是一個很重要的問題，處理不當會使鋼類零件生銹，導致機器人失靈。此外，排氣還會造成噪聲污染。1.2機器人的驅動系統(tǒng)電動機驅動3(1)普通交、直流電動機驅動需加減速裝置，輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型機器人。伺服電動機和步進電動機輸出力矩相對小，控制性能好，可實現(xiàn)速度和位置的精確控制，適用于中小型機器人。(2)交、直流伺服電動機一般用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，而步進電動機則主要用于開環(huán)控制系統(tǒng)，一般用于速度和位置精度要求不高的場合。功率在1KW以下的機器人多采用電動機驅動。03PARTONE機器人的感知系統(tǒng)1.3機器人的感知系統(tǒng)感知系統(tǒng)主要靠具有感知不同信息的傳感器構成，屬于硬件部分，包括視覺、聽覺觸覺及味覺、嗅覺等傳感器。在視覺方面，目前多利用攝像機作為視覺傳感器，它與計算機相結合，并采用電視技術，使機器人具有視覺功能，可以“看到”外界的景物，經(jīng)過計算機對圖像的處理，就可對機器人下達如何動作的命令。這類視覺傳感器在工業(yè)機器人中，多用于識別、監(jiān)視和檢測。機器人的聽覺功能，就是指機器人能夠接收人的語音信息，經(jīng)過語音識別、語音處理語句分析和語義分析，最后做出正確回答。語音識別系統(tǒng)一般由傳聲器、語音預處理器計算機及專用軟件所組成。1.3機器人的感知系統(tǒng)ASIMO是本田公司開發(fā)的類人型機器人，ASIMO是Advanced(新紀元)、Stepin(進入)、Innovative(創(chuàng)新)、Mobility(移動工具)的縮寫。ASIMO可以行走自如，進行諸如“8”字形行走、上下臺階、彎腰等各項“復雜”動作;并可以隨著音樂翩翩起舞，還能以6km/h的速度奔跑。此外，ASIMO還能與人類動協(xié)作，進行握手、猜拳等動作，似乎科幻電影中的情節(jié)變成了現(xiàn)實。1.3機器人的感知系統(tǒng)哈爾濱工業(yè)大學機器人技術有限公司研制的智能迎賓導游機器人，其外形與功能已十分像人類，它的手臂、頭部、眼睛、嘴巴、腰部，會隨著優(yōu)美的樂曲，做出相應的動作；它還具有語音功能，會唱歌、講解、背誦唐詩、致迎賓詞等。它可廣泛應用于展館、游樂場、酒店、賓館、辦公樓等公共場所。1.3機器人的感知系統(tǒng)目前，機器人的語言是一種“合成語言”，與人類的語言有很大區(qū)別。其語音尚沒有節(jié)奏，沒有抑、揚、頓、挫。機器人的觸覺傳感器，多為微動開關、導電橡膠或觸針等，利用它將觸點接觸與否所形成電信號的“通”與“斷”傳送到控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對機器人執(zhí)行機構的控制。1.3機器人的感知系統(tǒng)當要求機器人不得接觸某一對象而又要實施檢測時，就需要為機器人安裝非接觸式傳感器，目前這類傳感器有電磁渦流式、光學式和超聲波式等類型。當要求機器人的末端執(zhí)行機構(如靈巧手)具有適度的力量，如握力、擰緊力或壓力時，就需要有力學傳感器。力學傳感器種類較多，常用的是電阻應變式傳感器。1.3機器人的感知系統(tǒng)人類的嗅覺是通過鼻黏膜感受氣味的刺激，由嗅覺神經(jīng)傳遞給大腦，再由大腦將信息與記憶的氣味信息加以比較，從而判定氣味的種類及來源。科學家研制出一種能辨別氣味的電子裝置，叫作“電子鼻”，它包括氣味傳感器、氣味儲存器和能識別與處理有關數(shù)據(jù)的計算機。其中，氣味(即嗅覺)傳感器就相當于人類的“鼻黏膜”。但是，一種嗅覺傳感器只能對一類氣味進行識別，所以，必須研制出對復合氣體有識別能力的“電子鼻”。據(jù)報道，美國已研制出用20個相關的傳感器和計算機相連，將傳感器信號與計算機存儲的氣味記錄加以比較判定，并可在顯示器上顯示判定結果的“電子鼻”。人的鼻子對氣味的判定具有多種性，但因易疲勞和受病痛影響，因此不十分可靠，而電子鼻勝過人類的鼻子。04PARTONE機器人的控制系統(tǒng)01伺服控制級軟件伺服控制級軟件用于對驅動器的控制與驅動。把從軌跡生成部分輸出的控制量作為指令值，再把這個指令值與從位置和速度等傳感器傳來的信號進行比較，用比較后的指令值控制電動機的轉動。1.4機器人的控制系統(tǒng)機器人的控制系統(tǒng)由控制計算機及相應的控制軟件和伺服控制器組成，它相當于人的神經(jīng)系統(tǒng)，是機器人的神經(jīng)中樞，它實施機器人的全部信息處理和對機器人本體的運動控制。1.4機器人的控制系統(tǒng)02機器人運動控制級軟件機器人運動控制級軟件用于對機器人進行軌跡控制、插補和坐標變換。接收示教系統(tǒng)送來的各示教點位置和姿態(tài)信息、運動參數(shù)和工藝參數(shù)，并通過計算把各點的示教(關節(jié))坐標值轉換成直角坐標值存入計算機內存;機器人在再現(xiàn)狀態(tài)時，從內存中逐點取出其位置和姿態(tài)坐標值，按一定的時間節(jié)拍(又稱采樣周期)對它進行圓弧或直線插補運算，算出各插補點的位置和姿態(tài)坐標值，這就是路徑規(guī)劃生成;然后逐點地把各插補點的位置和姿態(tài)坐標值轉換成關節(jié)坐標值，分送到各個關節(jié)。為了控制機器人在被示教的作業(yè)點之間按照機器人語言所描述的指定軌跡運動，必須計算配置在機器人各關節(jié)處電動機的控制量。1.4機器人的控制系統(tǒng)03周邊裝置控制級軟件周邊裝置控制級軟件用于機器人運動控制、夾具汽缸控制、各種外部信號控制及其他輔助周邊設備控制等。PLC的輸入/輸出點在PLC程序的控制下，在各種外部控制信號的作用下，將輸出控制信號發(fā)送到各執(zhí)行器件上，用以實現(xiàn)各種理想的運動過程。1.4機器人的控制系統(tǒng)第二級計算機是執(zhí)行計算機，它的任務是進行伺服電動機閉環(huán)控制。它接收了第一級計算機送來的各關節(jié)下一步期望達到的位置和姿態(tài)后，又做一次均勻細分，以求運動軌跡更為平滑;然后將各關節(jié)下一細步期望值逐點送給驅動電動機，同時檢測光電碼盤信號，直到其準確到位。第一級計算機的任務是規(guī)劃和管理。機器人示教時，系統(tǒng)接收示教點位置和姿態(tài)信息、運動參數(shù)和工藝參數(shù)，并通過計算把各點的坐標值存入計算機內存里;機器人再現(xiàn)時，從內存中逐點取出其位置和姿態(tài)坐標值，通過對其進行圓弧或直線插補運算，生成路徑規(guī)劃;然后把各插補點的位置和姿態(tài)值轉換成關節(jié)坐標值，分送到各個關節(jié)。工業(yè)機器人的控制器大多采用二級計算機結構。05PARTONE機器人的主要技術參數(shù)1.5機器人的主要技術參數(shù)設計機器人時，首先要確定機器人的主要技術參數(shù)，然后由機器人的技術參數(shù)來選擇機器人的機械結構、坐標形式和傳動裝置等。01自由度自由度指描述物體運動所需要的獨立坐標數(shù)。02工作速度工作速度指機器人在工作載荷條件下的勻速運動過程中，機械接口中心或工具中心點在單位時間內所移動的距離或轉動的角度。1.5機器人的主要技術參數(shù)03工作空間機器人的工作空間指機器人手臂或手部安裝點所能達到的所有空間區(qū)域，不包括手部本身所能達到的區(qū)域。04工作載荷工作載荷指機器人在